KR101564744B1 - Boron-bearing burnable absorber nuclear fuel pellet and the method for manufacturing thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 보론 함유 가연성 흡수 핵연료 소결체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 우라늄산화물 분말; 중성자 흡수 물질로서 보론화합물; 및 소결첨가제로서 규소화합물 및 티타늄화합물을 포함하며, 보론화합물이 균질하게 분산된 가연성 흡수 핵연료 소결체을 제공한다.
본 발명은 소결첨가제로 이산화규소와 이산화티타늄 등의 규소화합물과 티타늄화합물을 함께 사용하여 보다 저온의 수소분위기에서 소결을 수행할 수 있어, 보론의 휘발이 현저하지 않은 온도에서 UO2를 충분히 치밀화시켜 개기공을 감소시켜 보론이 휘발되는 것이 최소화된다. 또한, 규소화합물-티타늄화합물 소결첨가제는 비교적 낮은 온도에서 보론 함유 소결체의 밀도를 높이는 동시에 결정립 성장을 촉진시키는 효과가 탁월하기 때문에 높은 밀도와 큰 결정립을 동시에 가질 수 있다. 이에 따라, 기존 상용 UO2 소결체 시방 기준인 94 %T.D 이상의 밀도와 5 ㎛ 이상의 결정립 크기를 동시에 충족하여 핵분열기체 방출이 저감되고 핵연료 봉에 가하는 응력을 완화시킬 수 있기 때문에 핵연료의 성능이 향상된다.The present invention relates to a boron-containing combustible absorbing fuel sintered body and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a boron-containing combustible absorbing fuel sintered body containing uranium oxide powder; A boron compound as a neutron absorbing material; And a silicon compound and a titanium compound as a sintering additive, wherein the boron compound is homogeneously dispersed.
The present invention can perform sintering in a hydrogen atmosphere at a lower temperature by using a silicon compound such as silicon dioxide and titanium dioxide together with a soda-lime additive as a sintering additive, thereby sufficiently densifying UO 2 at a temperature at which the volatilization of boron is not remarkable Vaporization of the boron is minimized by reducing the pore opening. In addition, the sintering additive of silicon compound-titanium compound can have high density and large crystal grain simultaneously because it has an excellent effect of promoting grain growth while increasing density of boron-containing sintered body at a relatively low temperature. Accordingly, the performance of the nuclear fuel can be improved because the fission gas discharge is reduced and the stress applied to the fuel rod can be mitigated by satisfying the density of 94% TD or more and the grain size of 5 탆 or more at the same time as the conventional commercial UO 2 sintered specimen standard.
Description
본 발명은 보론 함유 가연성 흡수 핵연료 소결체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 중성자 흡수물질로 보론화합물을 포함하며, 규소화합물 및 티타늄화합물로 구성된 소결첨가제를 포함하는 보론 함유 가연성 흡수 핵연료 소결체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
More particularly, the present invention relates to a boron-containing combustible absorbent nuclear fuel sintered body comprising a boron compound as a neutron absorbing material and comprising a sintering additive composed of a silicon compound and a titanium compound, And a manufacturing method thereof.
원자력 발전은 우라늄의 핵분열에 의해 발생되는 열을 이용하는데, 이러한 원자력 발전에 사용되는 핵연료로 통상 우라늄산화물(UO2) 소결체를 사용한다. Nuclear power generation utilizes the heat generated by nuclear fission of uranium. Uranium oxide (UO 2 ) sintered body is usually used as fuel for nuclear power generation.
우라늄산화물(UO2) 소결체는 우라늄 산화물 분말을 압축성형하여 얻은 성형체(green pellet)를 수소기체 분위기에서 약 1700~1800 ℃의 온도로 2~8 시간 동안 소결함으로써 제조될 수 있고, 이러한 방법으로 약 95 %TD(이론밀도)의 밀도와, 약 6~12㎛의 결정립 크기를 갖는 우라늄산화물(UO2) 소결체를 제조할 수 있다. The uranium oxide (UO 2 ) sintered body can be produced by sintering a green pellet obtained by compression molding of uranium oxide powder at a temperature of about 1700 to 1800 ° C for 2 to 8 hours in a hydrogen gas atmosphere, A uranium oxide (UO 2 ) sintered body having a density of 95% TD (theoretical density) and a grain size of about 6-12 μm can be produced.
기존 상용 우라늄산화물(UO2) 소결체의 밀도와 결정립 크기에 대한 시방기준은 밀도가 94~96.5 %TD 이고 결정립 크기는 5 ㎛ 이상이다.
The density and grain size of conventional commercial uranium oxide (UO 2 ) sintered bodies are 94 ~ 96.5% TD and the grain size is more than 5 ㎛.
이산화우라늄 소결체는 U235를 1 내지 5 중량% 포함하며, U235가 중성자에 의해서 붕괴되면서 핵분열 에너지를 발생한다. Uranium dioxide sintered body comprising 1 to 5% by weight of U 235, U 235 As the breakdown by neutrons to generate a nuclear fission energy.
원자로심의 운전주기가 길어질수록 원자로심의 가동률이 높아져서 경제적인 이득이 된다. 원자로심의 운전주기를 늘리기 위해서는 노심 안에 핵분열성 물질을 가능한 한 많이 장전하는 것이 유리하지만 핵분열성 물질이 많아지면 주기초에 반응도가 너무 높아져서 원자로심의 안전성에 나쁜 영향을 준다. As the operation cycle of the reactor core becomes longer, the operating rate of the reactor core becomes higher, which is economically advantageous. It is advantageous to install as many fissile materials as possible in the core to increase the operation cycle of the reactor core. However, if the number of fissile materials increases, the reactivity to the main foundation becomes too high, which adversely affects the safety of the reactor core.
따라서, 상기 이산화우라늄 소결체 외에도, 중성자의 조절을 위해서 가돌리늄(Gd) 또는 어븀(Er)과 같이 중성자의 흡수력이 매우 큰 가연성 흡수물질을 포함하는 가연성 흡수 소결체가 사용될 수 있다.
Therefore, in addition to the above-mentioned uranium dioxide sintered body, a combustible absorption sintered body including a combustible absorbing material having a very high neutron absorbency such as gadolinium (Gd) or erbium (Er) may be used for controlling neutrons.
현재 가장 보편적으로 사용되고 있는 가연성 중성자 흡수물질로는 가돌리늄(Gd)이 있다. 그러나, 가돌리늄은 최근 가격이 급등하고 있는 희토류 금속 중 하나로써, 다양한 산업분야에서 가돌리늄이 요구됨에 가격이 더욱 높아질 것으로 예상되며 이에 따라 점차 가돌리늄의 수급이 어려워 질 것으로 예측된다. Gadolinium (Gd) is the most commonly used combustible neutron absorber. However, gadolinium is one of the rare earth metals whose prices have surged recently, and it is expected that gadolinium will be required in various industrial fields, and the price will be further increased, and it is predicted that the supply and demand of gadolinium will gradually become difficult.
따라서, 현재의 가돌리늄을 대체하는 가연성 흡수 핵연료 소결체를 제조하는 방안이 요구되고 있다.
Accordingly, there is a demand for a method of manufacturing a flammable absorbent fuel sintered body replacing the present gadolinium.
이러한, 가연성 흡수 소결체에 있어서, 가연성 흡수물질로써 B4C 등의 보론(B) 화합물을 이산화우라늄에 균질하게 첨가하여 가연성 흡수 소결체를 제조하려는 연구가 미국의 Combustion Eng. LTD에 의하여 1960년대 말에 시도된 바 있으나, 소결 중 우라늄산화물(UO2) 분말의 잉여 산소가 보론과 반응하여 녹는점, 끓는점이 낮은 B2O3를 형성하여 휘발하는 문제가 있으며, 또한, 보론이 연소되면서 생성되는 헬륨으로 인하여 핵연료 봉의 내압이 상승하는 문제가 있다.
In this combustible absorbing sintered body, a study to produce a flammable absorbing sintered body by homogeneously adding a boron (B) compound such as B 4 C as a combustible absorbing material to uranium dioxide is disclosed in Combustion Eng. LTD., However, there is a problem that excess oxygen of uranium oxide (UO 2 ) powder melts and reacts with boron during sintering, and B 2 O 3 having a low boiling point is formed and volatilized, There is a problem that the inner pressure of the fuel rod is increased due to the helium generated by burning the boron.
상기 연구에서는 소결 후 휘발율이 매우 커서 가연성 흡수 소결체로 역할을 할 수 있을 정도의 보론양을 소결체 내에 잔류시키기 위하여는 휘발량을 고려하여 초기에 과량의 잉여 보론 화합물을 첨가하여야 하였다. In order to retain the amount of boron in the sintered body so as to act as a combustible absorption sintered body after the sintering, the excessive excess boron compound should be initially added considering the volatilization amount.
하지만, 과량의 보론 휘발에 의하여 소결체 밀도가 심각하게 저하되어 1600℃에서 소결하여도 90 %TD 이상의 소결 밀도를 얻을 수 없었다.
However, the density of the sintered body was seriously lowered due to excessive boron volatilization and the sintered density at 90% TD or more could not be obtained even when sintered at 1600 ° C.
이후, 독일의 Kraftwerk Union Aktiengesellschaft는 미국 등록특허 제4774051호에서 나타낸 바와 같이, 2~100 μm 크기의 UBx (X=2, 4, 12) 및 B4C 분말 각각을 15 μm 크기의 UO2 분말과 혼합한 후, 이들 각각을 환원 분위기 및 약산화성 분위기에서 소결하여 보론이 균질하게 분산된 소결체를 제조하였음을 보고한 바 있다.
Kraftwerk Union Aktiengesellschaft of Germany then produced UBx (X = 2, 4, 12) and B 4 C powders of 2 to 100 μm size each with UO 2 powder of 15 μm size as shown in US Pat. No. 4774051 And then sintered in a reducing atmosphere and a weakly oxidizing atmosphere to prepare a sintered body in which boron is homogeneously dispersed.
UBx (X=2, 4, 12) 분말을 미리 합성하여 UO2 분말과 혼합한 후 수소 기체 등의 환원 분위기를 이용하여 기존의 소결체 생산온도와 유사한 1700 ℃에서 소결하여 95 %TD 이상의 소결밀도를 가지는 소결체를 제조하였다고 보고하였지만, UBx 분말을 미리 합성하여야 하는 문제점이 있어 기존의 핵연료 소결체 제조 공정상 어려움이 있다.
UBx (X = 2, 4, 12) powders were synthesized in advance and mixed with UO 2 powder and sintered at 1700 ℃, which is similar to the conventional sintering temperature, using a reducing atmosphere such as hydrogen gas. However, UBx powders have to be synthesized in advance, which makes it difficult to manufacture a conventional sintered body.
또한, CO2 기체를 이용한 약산화성 분위기에서 1150 ℃의 저온으로 소결을 수행함으로써 소결 밀도가 95 %TD(이론밀도) 이상인 보론이 균질하게 분산된 소결체를 제조한 것으로 보고한 바 있다. Further, it has been reported that boron having a sintered density of 95% TD (theoretical density) or more is homogeneously dispersed by sintering at a low temperature of 1150 ° C in a weakly oxidizing atmosphere using CO 2 gas.
하지만, CO2 기체를 소결 분위기 기체로 사용하므로 수소기체를 사용하여 환원성 분위기 소결을 이용하는 기존 핵연료 소결체 제조 공정과의 양립성 문제가 있으며, 확산도가 낮은 CO2 기체가 소결체의 기공 내에 포획됨으로 인하여 핵연료 연소중 팽윤이 심각해지는 문제가 있다.
However, since the CO 2 gas is used as the sintering atmosphere gas, there is a problem of compatibility with the existing fuel sintering process using the reducing atmosphere sintering using the hydrogen gas, and since CO 2 gas having low diffusion is trapped in the pores of the sintered body, There is a problem that the swelling becomes serious.
최근 대한민국 등록특허 제1302695호에는 우라늄산화물에 보론화합물 및 망간산화물을 첨가하여 1000~1500 oC 수소기체 분위기에서 소결하여 90 %TD 이상의 밀도를 갖는 가연성 흡수 핵연료 소결체 제조방법이 개시되어 있다.Recently, Korean Patent Registration No. 1302695 discloses a method for producing a combustible absorbing nuclear fuel sintered body having a density of 90% TD or higher by adding a boron compound and manganese oxide to uranium oxide and sintering in a hydrogen gas atmosphere of 1000 to 1500 ° C.
이 경우에는 소결첨진제로 망간화합물을 사용하여 낮은 온도에서 소결하는 방법으로 비교적 높은 밀도를 갖는 가연성 흡수 소결체를 제조할 수 있었으나, 상용 UO2 소결체 수준의 밀도와 결정립 크기를 동시에 갖는 소결체 품질은 달성하지 못했다.
In this case, a combustible sintered body having a relatively high density could be produced by sintering at a low temperature using a manganese compound as a sintering accelerator, but the sintered body quality having both density and grain size at the level of the commercial UO 2 sintered body was not achieved I did not.
미국 등록특허 제7,139,360호 및 한국원자력학회 발표자료에서는 소결체의 보론 함량을 줄이는 대신 보론 함유 소결체가 포함된 핵연료 봉의 수를 증가하는 것으로 노심을 구성하는 설계가 제시되었다. U.S. Patent No. 7,139,360 and the Korean Nuclear Power Society presentation suggest a design that forms a core by increasing the number of fuel rods containing boron-containing sintered bodies instead of reducing the boron content of the sintered bodies.
이것은 소결체의 보론 함량이 높아지면 핵연료봉의 내부 압력 상승하여 핵연료 파손 가능성이 높아지기 때문에 보론 함량을 줄이는 대신 핵연료 집합체 내의 많은 핵연료 봉 (전체 핵연료 중 50% 이상)에 보론 함유 소결체를 사용하는 것을 제시하고 있다.This suggests that the higher the boron content of the sintered body, the higher the internal pressure of the fuel rod increases the possibility of nuclear fuel fracture. Therefore, instead of reducing the boron content, it is suggested to use a boron-containing sintered body in a large number of fuel rods (more than 50% .
이 경우, UO2 핵연료 봉의 많은 부분이 보론 함유 가연성 흡수 핵연료 봉으로 대체된다. 이때 보론 함유 가연성 흡수 소결체는 기존의 UO2 소결체와 동일한 조건으로 연소되기 때문에 보론 함유 가연성 흡수 핵연료 소결체는 기존의 UO2 소결체와 동등한 성능을 가져야 할 필요가 있다.
In this case, much of the UO 2 fuel rod is replaced by a boron-containing combustible absorbing fuel rod. At this time, since the boron-containing combustible absorbing sintered body is burnt under the same conditions as the conventional UO 2 sintered body, the boron-containing combustible absorbing nuclear fuel sintered body needs to have the same performance as the conventional UO 2 sintered body.
이에 본 발명의 발명자들은 가연성 흡수 소결체에 관한 연구를 수행하던 중, 중성자 흡수물질로 보론화합물이 함유된 우라늄 산화물에 규소화합물 및 티타늄화합물을 소결첨가제로 사용하면 기존의 우라늄 산화물 양산 공정의 수소분위기 소결보다 저온의 수소 분위기에서 소결을 수행할 수 있고 빠른 물질이동 속도를 나타낼 수 있어, 높은 밀도와 큰 결정립을 동시에 갖는 가연성 흡수 소결체를 개발하고 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the inventors of the present invention have found that when a combustible absorption sintered body is used, when a silicon compound and a titanium compound are added to a uranium oxide containing a boron compound as a neutron absorbing material as a sintering additive, the hydrogen atmosphere sintering of a conventional uranium oxide mass- The sintered body can be sintered in a hydrogen atmosphere at a lower temperature and can exhibit a fast mass transfer rate. Thus, a combustible sintered body having both high density and large grain size has been developed and the present invention has been completed.
본 발명의 목적은,SUMMARY OF THE INVENTION [0006]
가연성 흡수 핵연료 소결체를 제공하는 데 있다.
And a combustible absorbing nuclear fuel sintered body.
본 발명의 다른 목적은,Another object of the present invention is to provide
가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법을 제공하는 데 있다.
There is provided a method of manufacturing a combustible absorbing fuel sintered body.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,According to an aspect of the present invention,
우라늄산화물 분말;Uranium oxide powder;
중성자 흡수 물질로서 보론화합물; 및 A boron compound as a neutron absorbing material; And
소결첨가제로서 규소화합물 및 티타늄화합물을 포함하며,A silicon compound and a titanium compound as sintering additives,
보론화합물이 균질하게 분산된 가연성 흡수 핵연료 소결체를 제공한다.
The present invention provides a combustible absorbing nuclear fuel sintered body in which a boron compound is homogeneously dispersed.
또한, 본 발명은,Further, according to the present invention,
우라늄산화물 분말에 중성자 흡수 물질로서 보론화합물 및 소결첨가제로서 규소화합물 및 티타늄화합물을 첨가하고 혼합하는 단계(단계 1);Adding a boron compound as a neutron absorbing material and a silicon compound and a titanium compound as a sintering additive to uranium oxide powder and mixing them (step 1);
상기 단계 1에서 혼합된 혼합분말을 성형하여 성형체를 제조하는 단계(단계 2); 및A step (2) of forming a molded body by molding the mixed powder mixed in the step 1; And
상기 단계 2에서 제조된 성형체를 수소 분위기에서 소결하는 단계(단계 3); 를 포함하는 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법을 제공한다.
Sintering the shaped body produced in step 2 in a hydrogen atmosphere (step 3); The present invention provides a method for manufacturing a combustible absorbing nuclear fuel sintered body.
본 발명에 따른 가연성 흡수 핵연료 소결체는 소결첨가제로 이산화규소와 이산화티타늄 등의 규소화합물과 티타늄화합물을 함께 사용하여 기존 UO2 핵연료 소결체 양산 공정의 수소분위기 소결보다 저온의 수소분위기에서 소결을 수행할 수 있어, 보론의 휘발이 현저하지 않은 온도에서 UO2를 충분히 치밀화시켜 개기공을 감소시켜 보론이 휘발되는 것이 최소화된다. 또한, 규소화합물-티타늄화합물 소결첨가제는 비교적 낮은 온도에서 보론 함유 소결체의 밀도를 높이는 동시에 결정립 성장을 촉진시키는 효과가 탁월하기 때문에 높은 밀도와 큰 결정립을 동시에 가질 수 있다. The combustible absorbing fuel sintered body according to the present invention can be sintered in a hydrogen atmosphere at a temperature lower than that of the hydrogen atmosphere sintering process of the existing mass production process of a UO 2 fueled sintered body by using a silicon compound such as silicon dioxide and titanium dioxide together with a titanium compound as a sintering additive At the temperature where the volatilization of the boron is not significant, the UO 2 is sufficiently densified to reduce the open pore, so that the volatilization of the boron is minimized. In addition, the sintering additive of silicon compound-titanium compound can have high density and large crystal grain simultaneously because it has an excellent effect of promoting grain growth while increasing density of boron-containing sintered body at a relatively low temperature.
나아가, 기존에 양산되고 있는 보론화합물 즉, 보론나이트라이드(BN), 보론카바이드(B4C), 티타늄디보라이드(TiB2), 지르코늄디보라이드(ZrB2) 등을 사용할 수 있으므로 UBx 등의 합성공정이 요구되지 않는 장점이 있다. Furthermore, since boron compounds that have been mass produced in the past can be used, such as boron nitride (BN), boron carbide (B 4 C), titanium diboride (TiB 2 ), zirconium diboride (ZrB 2 ) There is an advantage that no process is required.
상기 가연성 흡수 핵연료 소결체는 기존 상용 UO2 소결체 시방 기준인 94 %T.D 이상의 밀도와 5 ㎛ 이상의 결정립 크기를 동시에 충족할 수 있다. The combustible absorbing fuel sintered body can simultaneously satisfy the density of 94% TD or more and the grain size of 5 탆 or more, which are standard specifications of conventional commercially available UO 2 sintered bodies.
이러한 높은 밀도와 큰 결정립을 동시에 갖는 가연성 흡수 핵연료 소결체는 연소 동안에 핵분열기체 방출이 저감되고 핵연료 봉에 가하는 응력을 완화시킬 수 있기 때문에 핵연료의 성능이 향상되는 효과가 있다.
The combustible absorbing fuel sintered body having such a high density and large grain size can reduce the fission gas release during combustion and relieve the stress applied to the fuel rod, thereby improving the performance of the fuel.
도 1은 본 발명에 따른 가연성 흡수 핵연료 소결체 제조 방법의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 2는 실시예 1에서 제조된 가연성 흡수 핵연료 소결체의 기공 조직을 광학현미경으로 관찰한 사진이고;
도 3은 비교예 1에서 제조된 가연성 흡수 핵연료 소결체의 기공 조직을 광학현미경으로 관찰한 사진이고;
도 4는 실시예 1에서 제조된 가연성 흡수 핵연료 소결체의 결정립 조직을 광학현미경으로 관찰한 사진이고;
도 5는 비교예 1에서 제조된 가연성 흡수 핵연료 소결체의 결정립 조직을 광학현미경으로 관찰한 사진이고;
도 6은 실시예 1 및 비교예 1, 2, 3에서 제조된 가연성 흡수 핵연료 소결체의 밀도를 나타낸 그래프이고;
도 7은 실시예 1 및 비교예 1, 2, 3에서 제조된 가연성 흡수 핵연료 소결체의 결정립 크기를 나타낸 그래프이다.1 is a schematic view showing an example of a method for manufacturing a combustible absorbing nuclear fuel assembly according to the present invention;
2 is a photograph of the pore structure of the combustible absorbing fuel sintered body manufactured in Example 1 by an optical microscope;
3 is a photograph of the pore structure of the combustible absorbing fuel sintered body manufactured in Comparative Example 1 by optical microscope;
4 is a photograph of the crystal grain structure of the combustible absorbing fuel sintered body manufactured in Example 1 by optical microscope;
5 is a photograph of the grain structure of the combustible absorbing fuel sintered body manufactured in Comparative Example 1, observed by an optical microscope;
FIG. 6 is a graph showing the densities of combustible absorbing nuclear fuel sintered bodies manufactured in Example 1 and Comparative Examples 1, 2 and 3; FIG.
7 is a graph showing the grain sizes of the combustible absorbing fuel sintered bodies manufactured in Example 1 and Comparative Examples 1, 2, and 3;
본 발명은, According to the present invention,
우라늄산화물 분말;Uranium oxide powder;
중성자 흡수 물질로서 보론화합물; 및 A boron compound as a neutron absorbing material; And
소결첨가제로서 규소화합물 및 티타늄화합물을 포함하며,A silicon compound and a titanium compound as sintering additives,
보론화합물이 균질하게 분산된 가연성 흡수 핵연료 소결체를 제공한다.
The present invention provides a combustible absorbing nuclear fuel sintered body in which a boron compound is homogeneously dispersed.
상기 가연성 흡수 핵연료 소결체는, 소결첨가제로 이산화규소와 이산화티타늄 등의 규소화합물과 티타늄화합물을 함께 사용하여 기존 UO2 핵연료 소결체 양산 공정의 수소분위기 소결보다 저온의 수소분위기에서 소결을 수행할 수 있어, 보론의 휘발이 현저하지 않은 온도에서 UO2를 충분히 치밀화시켜 개기공을 감소시켜 보론이 휘발되는 것이 최소화된다. The combustible absorbing fuel sintered body can be sintered in a hydrogen atmosphere at a temperature lower than that of a hydrogen atmosphere sintering process of a conventional mass production process of a UO 2 fuel sintering body by using a silicon compound such as silicon dioxide and titanium dioxide together with a titanium compound as a sintering additive, At a temperature where the volatilization of boron is not remarkable, UO 2 is sufficiently densified to reduce open pores, thereby minimizing volatilization of boron.
또한, 소결 온도에서 소결첨가제(SiO2-TiO2)의 유동성 증가하는 동시에 계면 접촉성이 좋아져서 결정립계를 통한 물질이동 속도를 빠르게 증가시키기 때문에, 소결 동안에 매우 빠른 물질 이동에 의하여 소결체의 밀도와 결정립 성장이 촉진되어 높은 밀도와 큰 결정립을 동시에 갖는다.In addition, at the sintering temperature, the flowability of the sintering additive (SiO 2 -TiO 2 ) is increased and the interfacial contact is improved and the mass transfer rate through the grain boundaries is rapidly increased. Therefore, The growth is promoted to have high density and large crystal grain simultaneously.
나아가, 기존에 양산되고 있는 보론화합물 즉, 보론나이트라이드(BN), 보론카바이드(B4C), 티타늄디보라이드(TiB2), 지르코늄디보라이드(ZrB2) 등을 사용할 수 있으므로 UBx 등의 합성공정이 요구되지 않는 장점이 있다.
Furthermore, since boron compounds that have been mass produced in the past can be used, such as boron nitride (BN), boron carbide (B 4 C), titanium diboride (TiB 2 ), zirconium diboride (ZrB 2 ) There is an advantage that no process is required.
상기 가연성 흡수 핵연료 소결체의 밀도는 94 % 이론밀도(T.D., Theoretical density) 이상일 수 있고, 상기 가연성 흡수 핵연료 소결체의 결정립 크기는 5 ㎛ 이상일 수 있으며, 94 % 이론밀도(T.D., Theoretical density) 이상의 밀도와 5 ㎛ 이상의 결정립 크기를 동시에 가질 수 있다. The density of the combustible absorbing fuel sintered body may be greater than or equal to 94% theoretical density, the grain size of the combustible absorbing nuclear fuel sintered body may be greater than or equal to 5 탆, and a density of 94% It is possible to have a crystal grain size of 5 mu m or more at the same time.
이러한 높은 밀도와 큰 결정립을 동시에 갖는 가연성 흡수 핵연료 소결체는 연소 동안에 핵분열기체 방출이 저감되고 핵연료 봉에 가하는 응력을 완화시킬 수 있기 때문에 핵연료의 성능이 향상되는 효과가 있다.
The combustible absorbing fuel sintered body having such a high density and large grain size can reduce the fission gas release during combustion and relieve the stress applied to the fuel rod, thereby improving the performance of the fuel.
이때, 상기 보론화합물은 우라늄산화물에 대하여 20 내지 20,000 중량ppm 첨가되고 혼합될 수 있다. At this time, the boron compound may be added and mixed in an amount of 20 to 20,000 ppm by weight based on the uranium oxide.
만약, 상기 보론화합물이 우라늄산화물 분말에 대하여 20 중량ppm 미만의 함량으로 첨가되는 경우 보론에 의한 중성자 흡수능을 나타내기 어려운 문제가 있고, 보론화합물이 우라늄산화물 분말에 대하여 20,000 중량ppm 초과하는 함량으로 첨가되는 경우에는 과량의 보론화합물이 첨가됨에 따라 소결체의 연소 중 팽윤에 따른 봉내압 상승이 심각한 수준까지 도달할 수 있는 문제가 있다.
If the boron compound is added in an amount of less than 20 ppm by weight based on the uranium oxide powder, it is difficult to exhibit neutron absorbing ability by boron. When the boron compound is added in an amount exceeding 20,000 ppm by weight relative to the uranium oxide powder There is a problem that the increase in the internal pressure of the sintered body due to the swelling of the sintered body during combustion can reach a serious level.
또한, 상기 규소화합물 및 티타늄화합물은 우라늄산화물에 대하여 30 내지 8,000 중량ppm 첨가되고 혼합될 수 있다. In addition, the silicon compound and the titanium compound may be added and mixed in an amount of 30 to 8,000 ppm by weight based on the uranium oxide.
만약, 상기 규소화합물-티타늄화합물의 소결첨가제가 우라늄산화물 분말에 대하여 30 중량ppm 미만의 함량으로 첨가되는 경우에는 규소화합물-티타늄화합물의 첨가에 따른 소결촉진 효과가 나타나지 않는 문제가 있으며, 상기 규소화합물-티타늄화합물의 소결첨가제가 우라늄산화물 분말에 대하여 8,000 중량ppm 초과하는 함량으로 첨가되는 경우는 핵연료 소결체 단위부피당 우라늄량이 상대적으로 감소하기 때문에 경제적이지 못하다.
If the sintering additive of the silicon compound-titanium compound is added in an amount of less than 30 ppm by weight based on the uranium oxide powder, the effect of promoting sintering due to the addition of the silicon compound-titanium compound is not exhibited. -Titanium compound is added in an amount exceeding 8,000 ppm by weight based on the uranium oxide powder is not economical because the uranium amount per unit volume of the nuclear fuel sintered body is relatively reduced.
상기 규소화합물 및 티타늄화합물의 비율은 티타늄(Ti) 및 규소(Si) 원소의 중량비 (Ti/Si) 기준으로 0.14 내지 20.0 범위로 첨가되고 혼합될수있으며, 상기 소결첨가제로서 사용되는 규소화합물 및 티타늄화합물의 조성은 SiO2-TiO2상태도를 이용하여 선정하였다. The ratio of the silicon compound and the titanium compound may be added and mixed in the range of 0.14 to 20.0 based on the weight ratio of titanium (Ti) and silicon (Si) elements (Ti / Si), and the silicon compound used as the sintering additive and the titanium compound Was selected using the SiO 2 -TiO 2 phase diagram.
밀도가 높고 결정립 크기가 큰 소결체를 얻기 위해서는 소결온도보다 낮은 1700 ℃이하에서 소결첨가제가 용융되어야하며, 소결첨가제의 첨가로 유동성이 증가는 동시에 우라늄 산화물계면과의 접촉성이 좋아져 소결체의 치밀화가 촉진되며 결정립 성장이 급격히 일어날 수 있어야한다. In order to obtain a sintered body having a high density and a large grain size, the sintering additive must be melted at a temperature of 1700 ° C. or lower, which is lower than the sintering temperature, and the fluidity is increased by the addition of the sintering additive, and the densification of the sintered body is promoted And grain growth must occur rapidly.
따라서, 상기와 같은 조성인 경우 밀도가 높은 동시에 결정립이 큰 가연성 흡수 소결체를 얻을 수 있다.
Therefore, in the case of the above composition, a combustible sintered body having a high density and a large crystal grain can be obtained.
또한, 본 발명은, Further, according to the present invention,
우라늄산화물 분말에 중성자 흡수 물질로서 보론화합물 및 소결첨가제로서 규소화합물 및 티타늄화합물을 첨가하고 혼합하는 단계(단계 1);Adding a boron compound as a neutron absorbing material and a silicon compound and a titanium compound as a sintering additive to uranium oxide powder and mixing them (step 1);
상기 단계 1에서 혼합된 혼합분말을 성형하여 성형체를 제조하는 단계(단계 2); 및A step (2) of forming a molded body by molding the mixed powder mixed in the step 1; And
상기 단계 2에서 제조된 성형체를 수소 분위기에서 소결하는 단계(단계 3); 를 포함하는 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법을 제공한다.
Sintering the shaped body produced in step 2 in a hydrogen atmosphere (step 3); The present invention provides a method for manufacturing a combustible absorbing nuclear fuel sintered body.
이때, 본 발명에 따른 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법의 일례를 도 1의 그림을 통해 개략적으로 도시하였으며,Here, an example of a method of manufacturing the combustible SAR fuel pellets according to the present invention is schematically shown in FIG. 1,
이하, 본 발명에 따른 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, a method of manufacturing the combustible SAR fuel assembly according to the present invention will be described in detail.
본 발명에 따른 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법에 있어서 단계 1은 우라늄산화물 분말에 중성자 흡수 물질로서 보론화합물 및 소결첨가제로서 규소화합물 및 티타늄화합물을 첨가하고 혼합하는 단계이다.
In the method for producing a combustible absorbing fuel sintered body according to the present invention, step 1 is a step of adding a boron compound as a neutron absorbing material and a silicon compound and a titanium compound as a sintering additive to uranium oxide powder and mixing them.
종래에는 가연성 흡수 소결체를 제조하는 방법으로 보론 화합물을 중성자 흡수물질로 사용하였으나, 소결 중 이산화우라늄 분말의 잉여 산소가 보론과 반응하여 녹는점, 끓는점이 낮은 B2O3가 형성되어 휘발하고, 보론이 연소되면서 생성되는 헬륨으로 인하여 핵연료봉의 내압이 상승하는 문제점이 있었다. Conventionally, as a method of producing a combustible absorption sintered body, a boron compound is used as a neutron absorbing material. However, during the sintering, surplus oxygen of the uranium dioxide powder reacts with boron to dissolve, and B 2 O 3 having a low boiling point is formed, There is a problem that the inner pressure of the fuel rod is increased due to the helium generated by the combustion.
또한, 일정 보론양을 소결체 내에 잔류시키기 위하여 초기에 과량의 잉여 보론 화합물을 첨가해야 했으나, 과량의 보론이 휘발됨에 따라 소결체의 밀도가 심각하에 저하되어 1600 ℃의 높은 온도에서 소결하여도 90 %TD 이상의 소결밀도를 얻을 수가 없는 문제점이 있었다.
In addition, in order to retain a certain amount of boron in the sintered body, an excessive amount of excess boron compound had to be initially added. However, as the excess boron volatilized, the density of the sintered body became seriously low and sintered at a high temperature of 1600 ° C, The sintered density can not be obtained.
그러나, 본 발명에서는 소결첨가제로서 규소화합물 및 티타늄화합물을 첨가함으로써 낮은 온도에서 소결이 가능하기 때문에, 보론의 휘발이 현저하지 않은 온도에서 이산화우라늄을 충분이 치밀화시켜 개기공을 감소시킴으로서 보론이 휘발되는 것을 최소화할 수 있다. However, in the present invention, since sintering can be performed at a low temperature by adding a silicon compound and a titanium compound as additives for sintering, uranium dioxide is sufficiently densified at a temperature at which volatilization of boron is not remarkable, Can be minimized.
또한, 규소화합물 및 티타늄화합물 소결첨가제는 비교적 낮은 온도에서 보론 함유 소결체의 밀도를 높이는 동시에 결정립 성장을 촉진시키는 효과가 탁월하여 94 %TD 이상의 밀도와 5 ㎛ 이상의 결정립을 갖는 소결체를 제조할 수 있다. Further, the sintering additive of silicon compound and titanium compound is excellent in enhancing the density of the boron-containing sintered body and promoting the grain growth at a relatively low temperature, and can produce a sintered body having a density of 94% TD or more and crystal grains of 5 탆 or more.
나아가, 이러한 가연성 흡수 핵연료 소결체는 연소 동안에 핵분열기체 방출이 저감되고 핵연료 봉에 가하는 응력을 완화시킬 수 있기 때문에 핵연료의 성능이 향상된다.
Furthermore, such flammable sorption fuel sintered bodies improve the performance of the nuclear fuel because the emission of fission gas during combustion is reduced and the stress applied to the fuel rod can be mitigated.
본 발명의 단계 1은 우라늄산화물 분말에 중성자 흡수 물질로서 보론화합물 및 소결첨가제로서 규소화합물 및 티타늄화합물을 첨가하고 혼합함으로써 원료분말을 제조하는 단계이다.
Step 1 of the present invention is a step of producing a raw material powder by adding a boron compound as a neutron absorbing material and a silicon compound and a titanium compound as a sintering additive to uranium oxide powder and mixing them.
상기 단계 1의 보론화합물은 보론나이트라이드(BN), 보론카바이드(B4C), 티타늄디보라이드(TiB2) 및 지르코늄디보라이드(ZrB2) 로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 화합물일 수 있고, 바람직하게는 보론나이트라이드를 사용할 수 있으나, 상기 보론화합물이 이에 제한되는 것은 아니며, 소결 중 UO2의 잉여산소와 반응하여 B2O3를 형성할 수 있는 모든 보론화합물을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
The boron compound of step 1 may be at least one compound selected from the group consisting of boron nitride (BN), boron carbide (B 4 C), titanium diboride (TiB 2 ) and zirconium diboride (ZrB 2 ) , But boron nitride can be used. However, the boron compound is not limited thereto. Any boron compound capable of forming B 2 O 3 by reacting with surplus oxygen of UO 2 during sintering can be suitably selected and used have.
이때, 상기 단계 1의 보론화합물은 우라늄산화물 분말에 대하여 20 내지 20,000 중량ppm 첨가되고 혼합될 수 있다. At this time, the boron compound of the step 1 may be added and mixed in an amount of 20 to 20,000 ppm by weight based on the uranium oxide powder.
만약, 상기 보론화합물이 우라늄산화물 분말에 대하여 20 중량ppm 미만의 함량으로 첨가되는 경우 보론에 의한 중성자 흡수능을 나타내기 어려운 문제가 있고, 보론화합물이 우라늄산화물 분말에 대하여 20,000 중량ppm 초과하는 함량으로 첨가되는 경우에는 과량의 보론화합물이 첨가됨에 따라 소결체의 연소 중 팽윤에 따른 봉내압 상승이 심각한 수준까지 도달할 수 있는 문제가 있다.
If the boron compound is added in an amount of less than 20 ppm by weight based on the uranium oxide powder, it is difficult to exhibit neutron absorbing ability by boron. When the boron compound is added in an amount exceeding 20,000 ppm by weight relative to the uranium oxide powder There is a problem that the increase in the internal pressure of the sintered body due to the swelling of the sintered body during combustion can reach a serious level.
상기 단계 1의 규소화합물은 규소, 규소산화물, 규소질화물, 규소탄화물, 규소염화물, 규소황화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 화합물일 수 있으나, 상기 규소화합물이 이에 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 이산화규소(SiO2)를 사용할 수 있다.
The silicon compound of step 1 may be at least one compound selected from the group consisting of silicon, silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide, silicon chloride and silicon sulfide, but the silicon compound is not limited thereto, Silicon dioxide (SiO 2 ) can be used.
상기 단계 1의 티타늄화합물은 티타늄, 티타늄산화물, 티타늄질화물, 티타늄탄화물, 티타늄황화물, 티타늄염화물, 티타늄불화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 화합물일 수 있으나, 상기 티타늄화합물이 이에 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 이산화티타늄(TiO2)을 사용할 수 있다.
The titanium compound of step 1 may be at least one compound selected from the group consisting of titanium, titanium oxide, titanium nitride, titanium carbide, titanium sulfide, titanium chloride, and titanium fluoride. However, the titanium compound is not limited thereto, It can be preferably used titanium dioxide (TiO 2).
이때, 상기 단계 1의 규소화합물 및 티타늄화합물은 우라늄산화물 분말에 대하여 30 내지 8,000 중량ppm 첨가되고 혼합될 수 있다. At this time, the silicon compound and the titanium compound of the step 1 may be added and mixed in an amount of 30 to 8,000 ppm by weight based on the uranium oxide powder.
만약, 상기 규소화합물-티타늄화합물의 소결첨가제가 우라늄산화물 분말에 대하여 30 중량ppm 미만의 함량으로 첨가되는 경우에는 규소화합물-티타늄화합물의 첨가에 따른 소결촉진 효과가 나타나지 않는 문제가 있으며, 상기 규소화합물-티타늄화합물의 소결첨가제가 우라늄산화물 분말에 대하여 8,000 중량ppm 초과하는 함량으로 첨가되는 경우는 핵연료 소결체 단위부피당 우라늄량이 상대적으로 감소하기 때문에 경제적이지 못하다.
If the sintering additive of the silicon compound-titanium compound is added in an amount of less than 30 ppm by weight based on the uranium oxide powder, the effect of promoting sintering due to the addition of the silicon compound-titanium compound is not exhibited. -Titanium compound is added in an amount exceeding 8,000 ppm by weight based on the uranium oxide powder is not economical because the uranium amount per unit volume of the nuclear fuel sintered body is relatively reduced.
또한, 상기 단계 1의 규소화합물 및 티타늄화합물의 비율은 티타늄(Ti) 및 규소(Si) 원소의 중량비 (Ti/Si) 기준으로 0.14 내지 20.0 범위로 첨가되고 혼합될 수 있으며, 상기 소결첨가제로서 사용되는 규소화합물 및 티타늄화합물의 조성은 SiO2-TiO2 상태도를 이용하여 선정하였다. The ratio of the silicon compound and the titanium compound in the step 1 may be added and mixed in the range of 0.14 to 20.0 based on the weight ratio (Ti / Si) of the titanium (Ti) and silicon (Si) The composition of the silicon compound and the titanium compound was selected using the SiO 2 -TiO 2 phase diagram.
밀도가 높고 결정립 크기가 큰 소결체를 얻기 위해서는 소결 온도보다 낮은 1700 oC 이하에서 소결첨가제가 용융되어야 하며, 소결첨가제의 첨가로 유동성이 증가는 동시에 우라늄산화물 계면과의 접촉성이 좋아져 소결체의 치밀화가 촉진되며 결정립 성장이 급격히 일어날 수 있어야 한다. In order to obtain a sintered body having a high density and a large grain size, the sintering additive must be melted at a temperature lower than 1700 o C below the sintering temperature. The addition of the sintering additive increases the fluidity and the contact with the uranium oxide interface, Accelerated and grain growth must occur rapidly.
따라서, 상기와 같은 조성인 경우 밀도가 높은 동시에 결정립이 큰 가연성 흡수 소결체를 얻을 수 있다.
Therefore, in the case of the above composition, a combustible sintered body having a high density and a large crystal grain can be obtained.
본 발명의 단계 1에서는 소결첨가제로서 규소화합물과 티타늄화합물을 첨가하는데, 일례로 규소화합물과 티타늄화합물을 함께 1000 oC ~ 1600 oC에서 열처리하여 합성하고, 상기 물질을 분쇄하여 제조된 분말을 첨가할 수 있다. In step 1 of the present invention, a silicon compound and a titanium compound are added as a sintering additive. For example, a silicon compound and a titanium compound are heat-treated at 1000 ° C to 1600 ° C to synthesize the powder. can do.
이와 같이, 규소화합물과 티타늄화합물을 함께 1000 oC ~ 1600 oC에서 열처리하여 규소화합물과 티타늄화합물을 합성하고, 상기 물질을 분쇄하여 제조된 분말은 상기의 규소화합물과 티타늄화합물이 혼합된 것과 유사한 소결 촉진 효과가 있다.
As described above, the silicon compound and the titanium compound are heat-treated together at 1000 ° C to 1600 ° C to synthesize a silicon compound and a titanium compound, and the powder produced by pulverizing the above substance is similar to a mixture of the silicon compound and the titanium compound It has sintering promoting effect.
본 발명에 따른 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법에 있어서 단계 2는 상기 단계 1에서 혼합된 혼합분말을 성형하여 성형체를 제조하는 단계이다.
In the method of manufacturing the flammable SAR resin according to the present invention, the step 2 is a step of molding the mixed powder mixed in the step 1 to produce a molded article.
상기 단계 2의 성형체를 제조하는 방법은 일례로, 성형 몰드(mold)에 상기 단계 1에서 제조된 혼합 분말을 넣고 2~6 ton/cm2 압력으로 성형하는 방법으로 제조할 수 있으나, 상기 성형체의 제조방법이 이에 제한되는 것은 아니며, 당업자에게 알려진 방법을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
The method of manufacturing the molded article of step 2 may be manufactured by, for example, molding the mixed powder prepared in step 1 at a molding pressure of 2 to 6 ton / cm 2 into a molding mold, The production method is not limited thereto, and a method known to those skilled in the art can be appropriately selected and used.
이때, 상기 단계 2에서 제조된 성형체는 중성자 흡수물질로서 보론화합물 및 소결첨가제로서 규소화합물 및 티타늄화합물이 균질하게 분산되어 있을 수 있다.
At this time, the molded body manufactured in the step 2 may have a boron compound as a neutron absorbing material and a silicon compound and a titanium compound as a sintering additive agent uniformly dispersed.
본 발명에 따른 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법에 있어서 단계 3은 상기 단계 2에서 제조된 성형체를 수소 분위기에서 소결하는 단계이다.
In the method for manufacturing the combustible absorbing fuel sintered body according to the present invention, step 3 is a step of sintering the shaped body produced in step 2 in a hydrogen atmosphere.
종래에는 이산화우라늄 소결체의 제조방법에 있어서 우라늄 산화물 분말을 압축성형하여 얻은 성형체를 수소기체 분위기에서 약 1700 내지 1800 ℃의 온도로 2 내지 8 시간 동안 소결함으로써 제조하였으나, 일정 보론양을 소결체 내에 잔류시키기 위하여 초기에 과량의 잉여 보론 화합물을 첨가하기 때문에 과량의 보론이 휘발됨에 따라 소결체의 밀도가 심각하게 저하되어 상기와 같이 높은 온도에서 소결하여도 90 %TD 이상의 소결밀도를 얻을 수가 없었다.
Conventionally, in a method for producing a uranium oxide sintered body, a compact obtained by compression-molding uranium oxide powder is sintered in a hydrogen gas atmosphere at a temperature of about 1700 to 1800 ° C for 2 to 8 hours. However, The excess boron compound was added at an early stage, so that the density of the sintered body was seriously lowered due to excessive volatilization of the boron. As a result, the sintered body could not have a sintered density higher than 90% TD even when sintered at such a high temperature.
그러나, 본 발명에서는 소결첨가제로서 규소화합물 및 티타늄화합물을 첨가함으로써 낮은 온도에서 소결이 가능하기 때문에, 보론의 휘발이 현저하지 않은 온도에서도 이산화우라늄을 충분히 치밀화시켜 개기공을 감소시킴으로서 보론이 휘발되는 것을 최소화할 수 있다. 나아가, 상기 방법으로 제조되는 소결체는 상용 소결체의 시방을 충족하는 94 %TD 이상의 밀도와 5 ㎛ 이상의 결정립을 갖는다.
However, in the present invention, since sintering can be performed at a low temperature by adding a silicon compound and a titanium compound as sintering additives, even when the volatility of boron is not remarkable, uranium dioxide is sufficiently densified to reduce open pores, Can be minimized. Furthermore, the sintered body produced by the above method has a density of 94% TD or more and a crystal grain size of 5 탆 or more, which satisfies the specification of the commercial sintered body.
상기 단계 3의 수소 분위기는 알곤, 질소, 이산화탄소 및 수증기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함하는 수소 함유 기체 분위기일 수 있으나, 상기 수소 함유 기체 분위기가 이에 제한되는 것은 아니다.
The hydrogen atmosphere in step 3 may be a hydrogen-containing gas atmosphere further including at least one selected from the group consisting of argon, nitrogen, carbon dioxide, and water vapor, but the hydrogen-containing gas atmosphere is not limited thereto.
한편, 상기 단계 3의 소결은 1450 내지 1700 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. On the other hand, the sintering of step 3 can be performed at a temperature of 1450 to 1700 ° C.
만약, 상기 단계 3의 소결이 1450 ℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우에는 소결체의 밀도가 저하하는 문제점이 있으며, 상기 단계 3의 소결이 1700 ℃를 초과하는 온도에서 수행되는 경우에는 첨가된 보론이 휘발하여 제조되는 소결체의 밀도가 저하하는 문제점이 발생할 수 있다.
If the sintering in step 3 is performed at a temperature lower than 1450 ° C, the density of the sintered body is lowered. If the sintering in step 3 is performed at a temperature higher than 1700 ° C, The density of the sintered body to be manufactured may be lowered.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples. However, the following examples are illustrative of the present invention, and the present invention is not limited by the following examples.
<실시예 1>≪ Example 1 >
단계 1 : 우라늄산화물(UO2) 분말에 중성자 흡수 물질로 보론나이트라이드 첨가하고 소결첨가제로 이산화규소 및 이산화티탄늄을 함께 첨가하여 혼합한 혼합분말을 제조하였다. Step 1: Powder of uranium oxide (UO 2 ) was mixed with boron nitride as a neutron absorbing material, and silicon dioxide and titanium dioxide were added together as a sintering additive.
이때, 상기 보론나이트라이드는 우라늄산화물 분말에 대하여 4,000 중량ppm의 함량으로 첨가되었으며, 상기 이산화규소-이산화티타늄은 우라늄산화물 분말에 대하여 3,000 중량 ppm 첨가되어 혼합되었다. 이때 첨가한 이산화규소와 이산화티타늄의 중량비율은 각각 53 % 와 47 % 이다.
At this time, the boron nitride was added in an amount of 4,000 ppm by weight based on the uranium oxide powder, and the silicon dioxide-titanium dioxide was added in an amount of 3,000 ppm by weight based on the uranium oxide powder. The weight ratio of silicon dioxide to titanium dioxide added was 53% and 47%, respectively.
단계 2 : 상기 단계 1에서 혼합 분말에 3 ton/㎠의 압력을 가하여 가압성형 함으로써 성형체를 제조하였다.
Step 2: In step 1, the mixed powder was pressurized by applying a pressure of 3 ton / cm < 2 >
단계 3 : 상기 단계 2에서 제조된 성형체를 1560 ℃ 온도인 수소분위기에서 2시간 동안 소결하여 가연성 흡수 소결체를 제조하였다.
Step 3: The molded body produced in the step 2 was sintered in a hydrogen atmosphere at 1560 캜 for 2 hours to prepare a combustible sintered body.
<비교예 1> ≪ Comparative Example 1 &
상기 실시예 1의 단계 1에서 소결첨가제를 첨가하지 않고 혼합분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 가연성 흡수 소결체를 제조하였다.
A combustible sintered body was produced in the same manner as in Example 1, except that the mixed powder was prepared without adding the sintering additive in the step 1 of Example 1 above.
<비교예 2>≪ Comparative Example 2 &
상기 실시예 1의 단계 1에서 소결첨가제로 이산화규소를 단독으로 우라늄산화물 분말에 대하여 3,000 중량ppm 첨가하여 혼합분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 가연성 흡수 핵연료 소결체를 제조하였다.
The sintered combustible absorbing nuclear fuel sintered body was manufactured in the same manner as in Example 1, except that 3,000 wt. Ppm of silicon dioxide was added to the uranium oxide powder alone as the sintering additive in Step 1 of Example 1 to prepare a mixed powder. Respectively.
<비교예 3>≪ Comparative Example 3 &
상기 실시예 1의 단계 1에서 소결첨가제로 이산화티타늄을 단독으로 우라늄산화물 분말에 대하여 3,000 중량ppm 첨가하여 혼합분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 가연성 흡수 핵연료 소결체를 제조하였다.
The procedure of Example 1 was repeated except that titanium dioxide was added as a sintering additive in an amount of 3,000 ppm by weight based on the uranium oxide powder to produce a mixed powder in Step 1 of Example 1 to prepare a combustible absorbent nuclear fuel sintered body Respectively.
<비교예 4>≪ Comparative Example 4 &
상기 실시예 1의 단계 1에서 소결첨가제로 이산화티타늄을 단독으로 우라늄산화물 분말에 대하여 30 중량ppm 첨가하여 혼합분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 가연성 흡수 핵연료 소결체를 제조하였다.
The procedure of Example 1 was repeated except that titanium dioxide was added as a sintering additive in an amount of 30 ppm by weight based on uranium oxide powder alone to produce a mixed powder, thereby preparing a combustible absorbent nuclear fuel sintered body Respectively.
<실험예 1> 가연성 흡수 핵연료 소결체의 소결밀도 분석EXPERIMENTAL EXAMPLE 1 Analysis of Sintered Density of Flammable Absorption Fuel Sintered Body
본 발명에 따른 상기 실시예 1, 비교예 1, 2, 3 및 4에서 제조된 가연성 흡수 핵연료 소결체의 소결밀도를 수침법(immersion method)를 사용하여 분석하였고, 그 결과를 표 1 및 도 6에 나타내었다.
Sintered densities of the combustible absorbent nuclear fuel sintered bodies produced in Example 1 and Comparative Examples 1, 2, 3 and 4 according to the present invention were analyzed using the immersion method. The results are shown in Tables 1 and 6 Respectively.
(ppm)Amount of BN added
(ppm)
첨가량Of sintering additive
Addition amount
(%T.D)Sintered density
(% TD)
(㎛)Grain size
(탆)
표 1 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 실시예 1에 따라 제조된 소결체는 비교예 1의 소결첨가제 없이 보론 화합물만을 첨가하여 제조된 소결체와 비교하여 2 %TD 이상의 월등히 높은 소결밀도를 나타내는 것을 알 수 있다. As shown in Table 1 and FIG. 6, it can be seen that the sintered body manufactured according to Example 1 exhibits significantly higher sintered density than 2% TD as compared with the sintered body prepared by adding only the boron compound without the sintering additive of Comparative Example 1 have.
또한, 실시예 1에 따라 제조된 소결체는 비교예 2의 소결첨가제로 이산화규소 단독으로 첨가하여 제조된 소결체와 비교예 3의 소결첨가제로 이산화티타늄 단독으로 첨가하여 제조된 소결체와 비교할 경우에도 2 %TD 이상의 월등히 높은 소결밀도를 나타낸 것을 알 수 있다. In addition, the sintered body manufactured in accordance with Example 1 had a sintered body added with silicon dioxide alone as the sintering additive of Comparative Example 2 and a sintered body of 2% as compared with the sintered body added with titanium dioxide alone as the sintering additive of Comparative Example 3, TD < / RTI >
실시예 1에 따라 제조된 소결체는 기존 상용 UO2 소결체 밀도 시방기준인 94~96.5 %TD 을 충족시킴을 알 수 있다.
It can be seen that the sintered body prepared according to Example 1 satisfies the conventional commercial UO 2 sintered body density standard of 94 to 96.5% TD.
이를 통해, 본 발명에 따른 가연성 흡수 핵연료 소결체 제조방법에서 보론화합물 및 소결첨가제로 규소화합물과 티타늄화합물을 함께 첨가함으로써 높은 소결밀도를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
Thus, it can be seen that a high sintered density can be obtained by adding the silicon compound and the titanium compound together as the boron compound and the sintering additive in the method of manufacturing the combustible sorption fueled sintered body according to the present invention.
<실험예 2> 가연성 흡수 핵연료 소결체의 미세구조 분석<Experimental Example 2> Microstructure analysis of combustible absorbing fuel sintered body
본 발명에 따른 상기 실시예 1에서 제조된 가연성 흡수 핵연료 소결체와 비교예 1에서 제조된 소결체의 표면을 광학현미경을 이용하여 관찰하였고, 그 결과를 도 2 및 도 3에 나타내었다.
The surfaces of the sintered combustible fuel sintered body manufactured in Example 1 and the sintered body prepared in Comparative Example 1 were observed using an optical microscope. The results are shown in FIGS. 2 and 3.
도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 1에서 제조된 가연성 흡수 핵연료 소결체는 비교예 1에서 제조된 소결체와 비교하여 검은 점들로 표현된 기공의 수가 매우 적은 것을 알 수 있다. As shown in FIG. 2 and FIG. 3, it can be seen that the number of pores represented by black dots is very small as compared with the sintered body produced in Comparative Example 1, in the combustible absorbing fuel sintered body manufactured in Example 1.
이는 비교예 1에서 제조된 소결체의 경우 소결첨가제 없이 소결됨에 따라 소결체의 치밀화가 제대로 수행되지 않았기 때문이다. 반면, 실시예 1에서 제조된 소결체의 경우 이산화규소-이산화티타늄의 첨가로 인해 치밀화가 잘 수행되어 기공의 수가 많지 않으며, 이에 따라 높은 밀도를 나타낼 수 있음을 알 수 있다.
This is because in the case of the sintered body manufactured in Comparative Example 1, the sintered body was not densified properly due to sintering without the sintering additive. On the other hand, in the case of the sintered body manufactured in Example 1, the densification can be performed well due to the addition of silicon dioxide-titanium dioxide, so that the number of pores is not small, and thus it can be shown that the density is high.
상기 결과를 통해, 본 발명에 따른 가연성 흡수 소결체 제조방법에서 규소화합물-티타늄화합물을 함께 소결첨가제로 첨가함으로써 높은 소결밀도를 나타내는 소결체를 제조할 수 있음을 확인하였다.
From the above results, it was confirmed that the sintered body exhibiting a high sintered density can be manufactured by adding the silicon compound-titanium compound together with the sintering additive in the method of manufacturing the combustible absorption sintered body according to the present invention.
<실험예 3> 가연성 흡수 핵연료 소결체의 결정립 크기 분석<Experimental Example 3> Grain size analysis of combustible absorbing fuel sintered body
본 발명에 따른 상기 실시예 1, 비교예 1, 2 및 3에서 제조된 가연성 흡수 핵연료 소결체의 결정립 크기는 광학현미경을 이용하여 관찰한 후 도 4 및 도 5에 나타내었고, 이를 직선교차법으로 측정하였고, 그 결과를 표 1 및 도 7에 나타내었다.
The grain sizes of the combustible absorbing fuel sintered bodies manufactured in Example 1 and Comparative Examples 1, 2 and 3 according to the present invention were observed using an optical microscope and then shown in FIGS. 4 and 5, And the results are shown in Table 1 and FIG.
도 4 및 도 5에는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 소결체의 결정립 조직을 나타낸다. 실시예 1에 따라 제조된 소결체가 비교예 1에 따라 제조된 소결체에 비하여 월등히 큰 결정립 조직을 나타냄을 보여준다.
4 and 5 show the crystal grain structure of the sintered body produced according to Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention. The sintered body produced according to Example 1 exhibits significantly higher grain structure than the sintered body produced according to Comparative Example 1. [
또한, 표 1 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 실시예 1에 따라 제조된 소결체는 비교예 1의 소결첨가제 없이 보론 화합물만을 첨가하여 제조된 소결체와 비교하여 5배 이상 큰 결정립 크기를 나타내는 것을 알 수 있다. Further, as shown in Table 1 and FIG. 7, it can be seen that the sintered body manufactured according to Example 1 exhibits a grain size of 5 times or more larger than that of the sintered body produced by adding only the boron compound without the sintering additive of Comparative Example 1 have.
또한, 실시예 1에 따라 제조된 소결체는 비교예 2의 소결첨가제로 이산화규소 단독으로 첨가하여 제조된 소결체와 비교예 3의 소결첨가제로 이산화티타늄 단독으로 첨가하여 제조된 소결체와 비교할 경우에도 역시 5 배 이상 큰 결정립 크기를 나타낸 것을 알 수 있다. In addition, the sintered body produced according to Example 1 has the same effect as the sintered body prepared by addition of silicon dioxide alone as the sintering additive of Comparative Example 2 and the sintered body added with titanium dioxide alone as the sintering additive of Comparative Example 3 Which is larger than twice the grain size.
실시예 1에 따라 제조된 소결체는 기존 상용 UO2 소결체 결정립 크기 시방기준인 5 ㎛ 이상을 충족시킴을 알 수 있다.
It can be seen that the sintered body manufactured according to Example 1 satisfies the standard size standard of the sintered ceramics of the conventional UO 2 of 5 탆 or more.
이를 통해, 본 발명에 따른 가연성 흡수 핵연료 소결체 제조방법에서 보론화합물 및 소결첨가제로 규소화합물과 티타늄화합물을 함께 첨가함으로써 큰 결정립을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
Thus, it can be seen that large grains can be obtained by adding the silicon compound and the titanium compound together as the boron compound and the sintering additive in the method of manufacturing the combustible absorbing fuel sintered body according to the present invention.
Claims (17)
상기 단계 1에서 혼합된 혼합분말을 성형하여 성형체를 제조하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 제조된 성형체를 수소 분위기에서 1450 내지 1700 의 온도에서 소결하는 단계(단계 3); 를 포함하고,
상기 단계 1의 규소화합물 및 티타늄화합물의 비율은 티타늄(Ti) 및 규소(Si) 원소의 중량비 (Ti/Si) 기준으로 0.14 내지 20.0 범위로 첨가되고 혼합되어, 상기 단계 3의 소결과정에서 보론화합물이 휘발되는 것을 억제하는 것을 특징으로 하는 밀도는 94 %이론밀도(T.D., Theoretical density) 이상이고 소결체의 결정립 크기는 5 μm 이상인 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법.
Adding a boron compound as a neutron absorbing material and a silicon compound and a titanium compound as a sintering additive to uranium oxide powder and mixing them (step 1);
A step (2) of forming a molded body by molding the mixed powder mixed in the step 1; And
Sintering the shaped body produced in step 2 in a hydrogen atmosphere at a temperature of 1450 to 1700 (step 3); Lt; / RTI >
The ratio of the silicon compound and the titanium compound in the step 1 is added and mixed in the range of 0.14 to 20.0 based on the weight ratio of titanium (Ti) and silicon (Si) elements (Ti / Si) Wherein the density is at least 94% theoretical density (TD) and the grain size of the sintered body is at least 5 m.
상기 단계 1의 보론화합물은 보론나이트라이드(BN), 보론카바이드(B4C), 티타늄디보라이드(TiB2) 및 지르코늄디보라이드(ZrB2) 로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법.
The method according to claim 6,
The boron compound of step 1 is at least one compound selected from the group consisting of boron nitride (BN), boron carbide (B 4 C), titanium diboride (TiB 2 ) and zirconium diboride (ZrB 2 ) Wherein said method comprises the steps of:
상기 단계 1의 보론화합물은 보론나이트라이드(BN)인 것을 특징으로 하는 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the boron compound of step 1 is boron nitride (BN).
상기 단계 1의 규소화합물은 규소, 규소산화물, 규소질화물, 규소탄화물, 규소염화물, 규소황화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 가연성 흡수 소결체 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the silicon compound of step 1 is at least one compound selected from the group consisting of silicon, silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide, silicon chloride and silicon sulfide.
상기 단계 1의 티타늄화합물은 티타늄, 티타늄산화물, 티타늄질화물, 티타늄탄화물, 티타늄황화물, 티타늄염화물, 티타늄불화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 가연성 흡수 소결체 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the titanium compound of step 1 is at least one compound selected from the group consisting of titanium, titanium oxide, titanium nitride, titanium carbide, titanium sulfide, titanium chloride and titanium fluoride.
상기 단계 1의 규소화합물 및 티타늄화합물은 각각 이산화규소(SiO2)와 이산화티탄늄(TiO2)인 것을 특징으로 하는 가연성 흡수 소결체 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the silicon compound and the titanium compound of step 1 are silicon dioxide (SiO 2 ) and titanium dioxide (TiO 2 ), respectively.
상기 단계 1의 보론화합물은 우라늄산화물 분말에 대하여 20 내지 20,000 중량ppm 첨가되고 혼합되는 것을 특징으로 하는 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the boron compound of step 1 is added and mixed in an amount of 20 to 20,000 ppm by weight based on the uranium oxide powder.
상기 단계 1의 규소화합물 및 티타늄화합물은 우라늄산화물 분말에 대하여 30 내지 8,000 중량ppm 첨가되고 혼합되는 것을 특징으로 하는 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the silicon compound and the titanium compound of the step 1 are added and mixed in an amount of 30 to 8,000 ppm by weight based on the uranium oxide powder.
상기 단계 2에서 제조된 성형체는 중성자 흡수물질로서 보론화합물 및 소결첨가제로서 규소화합물 및 티타늄화합물이 균질하게 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the molded article produced in the step 2 is characterized in that a boron compound as a neutron absorbing material and a silicon compound and a titanium compound as a sintering additive are homogeneously dispersed.
상기 단계 3의 수소 분위기는 알곤, 질소, 이산화탄소 및 수증기로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함하는 수소 함유 기체 분위기인 것을 특징으로 하는 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법.The method according to claim 6,
Wherein the hydrogen atmosphere in step (3) is a hydrogen-containing gas atmosphere further comprising at least one selected from the group consisting of argon, nitrogen, carbon dioxide, and water vapor.
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